CN110568053A - 一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器。包括传感器芯片、传感器阵列、片上裸露源极和片上裸露漏极；传感器芯片表面中心设有传感区域，传感区域中间布置有传感器阵列，传感器阵列是由多个场效应管传感结构紧密阵列均布而成，传感器芯片表面边缘布置有一个片上裸露源极和多个片上裸露漏极，各个场效应管传感结构的源极均连接到同一片上裸露源极，每个场效应管传感结构的漏极连接到不同的片上裸露漏极。本发明能够不损伤地维持测量期间较长时间内细胞正常的生理活动，能够调节初始沟道，能够测量可正可负的细胞膜电位变化，可有效防止培养液中离子对场效应管的腐蚀，提高了稳定性和耐久性。

Description

一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器
技术领域
本发明属生物技术领域，涉及一种生物传感器，特别是涉及了一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器。
背景技术
细胞是生物体的基本组成单元。细胞外围有一层主要由液态脂质双分子层和蛋白质组成的细胞膜，将细胞与胞外环境分隔开。细胞膜两侧的离子浓度分布不均匀，如多数动物细胞内Na+、Cl-、Ca2+等离子浓度低于胞外浓度，而K+浓度高于胞外浓度，这导致膜两侧存在电位差，称为细胞的膜电位。膜电位可分为静息电位和动作电位。当细胞未受到外来刺激且保持正常的新陈代谢时，其膜电位表现为外正内负，即细胞膜内较细胞膜外为负值，，且电位差稳定在某一相对恒定的水平，称为细胞的静息电位；当细胞受到刺激时，在静息电位的基础上会发生短暂的电位变化，包括一个上升相和一个下降相，这种电位变化称为细胞的动作电位。由于膜电位反映了细胞膜离子通道的通闭、离子的转运等等，在神经信息传递、生命调控、细胞通讯等一系列生命过程中起着重要的作用，因此，细胞膜电位检测技术的研究具有重大意义。
1991年Fromherz等在Science上发表文章，提出了用场效应晶体管检测单个神经细胞的电活动，并制作出了4x4的“裸露”栅极晶体管阵列，在测量水蛭的Retzius神经细胞时，成功利用了细胞内信号的约25％。2006年，朱大中利用0.6μmCMOS工艺研制了集成有传感阵列、模拟多路选择器、输出缓冲器和数字控制的电路，实现了传感和信号处理的集成化，电位范围0.1～5mV。
发明内容
为了能够在较长时间范围内准确测量细胞正常生理活动时的膜电位，本发明为细胞提供了正常的离体生长环境，通过耦合贴附在场效应管阵列表面细胞的膜电场，调节漏极电流，能够在经过外部信号处理电路后得到膜电位信息。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括传感器芯片、传感器阵列、片上裸露源极和片上裸露漏极；传感器芯片表面中心设有传感区域，传感区域中间布置有场效应的传感器阵列，传感器阵列是由多个相互独立的场效应管传感结构紧密阵列均布而成，传感器芯片表面边缘布置有一个片上裸露源极和多个片上裸露漏极，各个场效应管传感结构的源极均连接到同一片上裸露源极，每个场效应管传感结构的漏极连接到不同的片上裸露漏极，片上裸露漏极的数量和场效应管传感结构的漏极数量相同。
所述的片上裸露源极和片上裸露漏极作为裸露的引出电极。
所述的衬底采用N型硅半导体。所述的传感器芯片制作在N型硅半导体的衬底上。
所述的场效应管传感结构包括衬底、漏极、源极、金属氧化物薄膜、顶栅和背栅，衬底底面开设有底凹槽，底凹槽中布置背栅，衬底顶面的两侧均开设有顶凹槽，两侧的顶凹槽中分别布置漏极和源极；漏极和源极之间的衬底顶面上布置有金属氧化物薄膜，金属氧化物薄膜内部存在有浮栅结构，金属氧化物薄膜上表面布置顶栅，顶栅上方设有第一金属层，顶栅与第一金属层之间通过连接层相连，第一金属层上方设有第二金属层，第一金属层和第二金属层组成平板电容；衬底顶面上包裹布置氧化层，金属氧化物薄膜、顶栅、连接层、第一金属层、第二金属层均布置于氧化层中，第二金属层顶面和氧化层的顶面平齐，氧化层的顶面覆盖布置绝缘物质组成的钝化层；钝化层上有细胞培养液，待测细胞位于细胞培养液中，待测细胞仅接触到钝化层，细胞培养液内部设有参考电极；参考电极和源极引出接地。
所述的传感区域布置容器结构，容器结构内有细胞培养液。
所述的场效应管传感结构的漏极均连接到传感器芯片上的同一片上裸露源极，所述的场效应管传感结构的背栅分别连接到传感器芯片上各自不同的片上裸露源极。
具体实施中，片上裸露源极和片上裸露漏极均间隔布置在传感器芯片上表面的边缘位置。
所述的片上裸露源极和片上裸露漏极采用金Au金属。
片上裸露源极和片上裸露漏极外接信号处理电路。
所述的氧化层采用二氧化硅。
所述的金属氧化物薄膜采用HFO2材料。
所述的钝化层采用Si3N4材料。
所述的漏极、源极和背栅均采用金属金作为电极。
所述的浮栅结构具体为浮栅场效应管。
所述的顶栅、连接层、第一金属层和第二金属层均采用相同的金属，具体为金。
所述的场效应管传感结构是在一块N型硅半导体的衬底两侧上用光刻扩散形成两个凹槽，作为两个P型半导体区，每个P型半导体区布置金Au，然后在两个P型半导体区之间布置金属氧化物薄膜，金属氧化物薄膜采用HFO2作为栅极绝缘层，金属氧化物薄膜上布置顶栅，顶栅存在双次耦合。传感器芯片在培养液接触区表面覆盖有Si3N4的钝化层。
作为栅极绝缘层的金属氧化物薄膜的HFO2采用原子层沉积工艺生长在衬底上，可以精确控制高k栅极绝缘层的厚度；使用低压化学气相沉积(LPCVD)制造Si3N4的钝化层；片上裸露源极和片上裸露漏极采用电子束蒸发沉积法制作。
所述的场效应管传感结构采用耦合方式感应细胞膜电位。
所述的传感器阵列中的各个场效应管传感结构相互独立，漏极引出不同连接，但源极引出相同连接形成公共源极，即以浸入细胞培养液的参考电极作为公共地；待测细胞位于细胞培养液中，贴敷于Si3N4的钝化层表面生长，其膜电位耦合到第二金属层，再次耦合到第一金属层，并连接到场效应管传感结构的顶栅，利用场效应管原位放大，共源工作在-100mV到+60mV之间。当外接信号处理电路时，通过扫描漏极的电流变化，可以获得细胞膜电位的信息。
本发明的有益效果如下：
本发明基于标准CMOS工艺，符合当代微电子器件工艺发展需求，便于实现传感器的高精度和批量生产。
本发明未对细胞进行任何机械性损伤，能够维持测量期间较长时间内细胞正常的生理活动，保证测量结果的普遍性。
本发明采用的PMOS管具有浮栅结构，通过改变浮栅携带电荷，能够调节初始沟道，能够测量可正可负的细胞膜电位变化。
本发明在场效应阵列和培养液间有钝化层，可以有效防止培养液中离子对场效应管的腐蚀，提高了稳定性和耐久性。
附图说明
图1是场效应管结构示意图；
图2是核心传感芯片俯视图。
图中：衬底1，漏极2，源极3，背栅4，金属氧化物薄膜5，顶栅6，连接层7，第一金属层8，第二金属层9，氧化层10，钝化层11，浮栅结构12，待测细胞13，细胞培养液14，参考电极15，传感器芯片16，传感区域17，传感器阵列18，片上裸露源极19，片上裸露漏极20。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，单个传感器包括传感器芯片16、传感器阵列18、片上裸露源极19和片上裸露漏极20；传感器芯片16表面中心设有传感区域17，传感区域17布置容器结构，容器结构内有细胞培养液14。传感区域17中间布置有场效应的传感器阵列18，传感器阵列18是由多个相互独立的场效应管传感结构紧密阵列均布而成，传感器芯片16表面边缘布置有一个片上裸露源极19和多个片上裸露漏极20，各个场效应管传感结构的源极3均连接到同一片上裸露源极19，每个场效应管传感结构的漏极2连接到不同的片上裸露漏极20，片上裸露漏极20的数量和场效应管传感结构的漏极2数量相同。
具体实施中，片上裸露源极19和片上裸露漏极20均间隔布置在传感器芯片16上表面的边缘位置。片上裸露源极19和片上裸露漏极20作为裸露的引出电极。
衬底1采用N型硅半导体，传感器芯片16制作在N型硅半导体的衬底1上。
如图2所示，每个场效应管传感结构的单元结构包括衬底1、漏极2、源极3、金属氧化物薄膜5、顶栅6和背栅4，衬底1底面开设有底凹槽，底凹槽中布置背栅4，衬底1顶面的两侧均开设有顶凹槽，两侧的顶凹槽中分别布置漏极2和源极3；漏极2和源极3之间的衬底1顶面上布置有金属氧化物薄膜5，金属氧化物薄膜5内部存在有浮栅结构12，金属氧化物薄膜5上表面布置顶栅6，顶栅6上方设有第一金属层8，顶栅6与第一金属层8之间通过连接层7相连，第一金属层8上方设有第二金属层9，第一金属层8和第二金属层9组成平板电容；衬底1顶面上包裹布置氧化层10，金属氧化物薄膜5、顶栅6、连接层7、第一金属层8、第二金属层9均布置于氧化层10中，第二金属层9顶面和氧化层10的顶面平齐，氧化层10的顶面覆盖布置绝缘物质组成的钝化层11；传感器芯片16在培养液接触区表面覆盖有Si3N4的钝化层11。
钝化层11上有细胞培养液14，待测细胞13位于细胞培养液14中，待测细胞13仅接触到钝化层11，细胞培养液14内部设有参考电极15；参考电极15和源极3引出接地。
本发明的制作过程是：
场效应管传感结构是在一块掺杂浓度较低、电阻率较高的N型硅半导体的衬底1两侧上用光刻扩散形成两个凹槽，形成两个高掺杂的P型半导体区，每个P型半导体区布置金Au作为源极和漏极，然后在两个P型半导体区之间布置金属氧化物薄膜5，金属氧化物薄膜5采用HFO2作为栅极绝缘层。利用光遮罩法用来形成栅极绝缘氧化层的区域，采用原子层沉积技术(ALD)形成高k的HFO2氧化薄膜。此处需要寻找各种栅极氧化厚度晶片的最佳灵敏度和稳定条件。因为ALD技术具有可满足单原子层的方式生长，能够精确地控制厚度在埃级或单原子层水平，可通过控制反应周期而简单地控制膜厚满足对于膜厚的高要求，以达到最灵敏和稳定的效果。
这样，作为栅极绝缘层的金属氧化物薄膜5的HFO2采用原子层沉积工艺生长在衬底1上，可以精确控制高k栅极绝缘层的厚度。
具体实施中，在金属氧化物薄膜5的HFO2与衬底1的Si的接触面间，采用原子层沉积技术(ALD)沉积一层厚度很薄的SiO2过渡层提高与Si衬底的兼容性。尽管稍稍降低了栅介质的平均k值，但是改善了金属氧化物薄膜5的HFO2与衬底1的Si之间的接触特性。减小SiO2过渡层有助于提高平均k值，但迁移率也随之降低，故需要寻找合适的过渡层厚度。因为本发明采用耦合方式感应细胞膜电位，因此不存在场效应管阵列和电解质溶液的直接接触，可以减少布线时对于金属导线的耐腐蚀性的考虑。
金属氧化物薄膜5上制作金Au的顶栅6，顶栅6存在双次耦合。
场效应管结构制作完成后，在氧化层10中利用光刻法在栅极区域开窗，利用标准CMOS工艺制作与顶栅相连接的连接层7、第一金属层8，采用化学气相沉积工艺在第一金属层8上生长出适宜厚度的二氧化硅氧化层，然后利用电子束蒸发技术生长地第二金属层9。
在氧化层10顶面使用低压化学气相沉积LPCVD制造Si3N4的钝化层11，是采用低压化学气相沉积法在芯片表面生长一层Si3N4钝化层，用于防止离子渗透，隔离场效应管传感结构的主体部分和细胞培养液14。考虑到耦合膜电位要求细胞紧密贴附在芯片表面，为了增强吸附性，需要在芯片表面采用涂布多聚赖氨酸等贴附剂的表面处理方法。
同时，在金属氧化物薄膜5的HFO2中引入了浮栅12，可以通过改变浮栅中注入电荷，对沟道电场进行调制。
最后，传感器芯片16上的片上裸露源极19和片上裸露漏极20采用电子束蒸发沉积法制作。
本发明的传感芯片有金属层3，能够耦合贴附在芯片表面的细胞的膜电位，并再次耦合至金属层2，通过连接层与场效应管的栅极相连，调节电场影响场效应管P沟道的导电性，改变漏极电流大小；场效应管的源极、漏极分别引出到芯片边缘，可以连接外部信号处理电路。连接板上还有引出的参考电极，浸入到培养液中作为公共地。
第二金属层9耦合贴附在芯片表面细胞的膜电位，并再次耦合至第一金属层8，通过金属的连接层7连接到其下方单个场效应管传感结构的栅极6，在二氧化铪的下方有电场存在，因而N型硅衬底在靠近绝缘氧化层的地方有以空穴为多数载流子的P型导电沟道形成，称为反型层，在反型层下方有耗尽层。
场效应管传感结构采用耦合方式感应细胞膜电位。
传感器阵列18中的各个场效应管传感结构相互独立，漏极2引出不同连接，但源极3引出相同连接形成公共源极，即以浸入细胞培养液的参考电极15作为公共地；
待测细胞13位于细胞培养液中，贴敷于Si3N4的钝化层11表面生长，其膜电位耦合到第二金属层9，再次耦合到第一金属层8，并连接到场效应管传感结构的顶栅6，利用场效应管原位放大，共源工作在-100mV到+60mV之间。
当细胞受到外界刺激或自身生理状态发生改变时，膜电位改变，进而改变了电场强度，影响了其下方场效应管的P型导电沟道，改变了沟道的导电性能，从而改变了两个P掺杂区之间的电流大小。当外接信号处理电路时，通过扫描漏极2的电流变化进行检测，可以获得细胞膜电位的信息，测量出细胞膜电位的大小。
本发明的一个实施例及其实施过程如下：
图2中16为一片N型半导体硅，通过光刻、腐蚀形成横向、纵向分别n个分隔区域，组成n*n阵列。通过光刻法，在每个单独区域分别扩散出两个P型掺杂区，结合原子层沉积的方法生长符合厚度要求的HfO2氧化层，氧化层内生长有控制栅。铺设金属线时，栅极由金属通孔向上引出，并连接到金属层二，金属层1与金属层2不相接触。芯片表面有Si3N4钝化层以保护芯片，同时表面涂布有能够促进细胞粘附的糖蛋白分子。所有场效应管共用栅极，漏极各不相同。
通过多次实验，确认背栅的偏置电压和浮栅的电荷注入，调节传感器工作在近似线性且放大性能良好的工作区域。
在测量时，外接参考电极，浸入细胞培养液作为公共地。细胞贴附在传感器芯片表面生长，将膜电位耦合至传感器调节导电沟道。漏极引出至外部有源信号处理电路，循环选通各个传感器，对电流进行放大、降噪等处理，并采集即可分析细胞膜电位。

Claims (8)

1.一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：
包括传感器芯片(16)、传感器阵列(18)、片上裸露源极(19)和片上裸露漏极(20)；传感器芯片(16)表面中心设有传感区域(17)，传感区域(17)中间布置有传感器阵列(18)，传感器阵列(18)是由多个场效应管传感结构紧密阵列均布而成，传感器芯片(16)表面边缘布置有一个片上裸露源极(19)和多个片上裸露漏极(20)，各个场效应管传感结构的源极(3)均连接到同一片上裸露源极(19)，每个场效应管传感结构的漏极(2)连接到不同的片上裸露漏极(20)。
2.根据权利要求1所述的一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：所述的衬底(1)采用N型硅半导体。
3.根据权利要求1所述的一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：所述的场效应管传感结构包括衬底(1)、漏极(2)、源极(3)、金属氧化物薄膜(5)、顶栅(6)和背栅(4)，衬底(1)底面开设有底凹槽，底凹槽中布置背栅(4)，衬底(1)顶面的两侧均开设有顶凹槽，两侧的顶凹槽中分别布置漏极(2)和源极(3)；漏极(2)和源极(3)之间的衬底(1)顶面上布置有金属氧化物薄膜(5)，金属氧化物薄膜(5)内部存在有浮栅结构(12)，金属氧化物薄膜(5)上表面布置顶栅(6)，顶栅(6)上方设有第一金属层(8)，顶栅(6)与第一金属层(8)之间通过连接层(7)相连，第一金属层(8)上方设有第二金属层(9)，第一金属层(8)和第二金属层(9)组成平板电容；衬底(1)顶面上包裹布置氧化层(10)，金属氧化物薄膜(5)、顶栅(6)、连接层(7)、第一金属层(8)、第二金属层(9)均布置于氧化层(10)中，氧化层(10)的顶面覆盖布置钝化层(11)；钝化层(11)上有细胞培养液(14)，待测细胞(13)位于细胞培养液(14)中，待测细胞(13)接触到钝化层(11)，细胞培养液(14)内部设有参考电极(15)；参考电极(15)和源极(3)引出接地。
4.根据权利要求1所述的一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：所述的传感区域(17)布置容器结构，容器结构内有细胞培养液(14)。
5.根据权利要求1所述的一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：所述的场效应管传感结构的漏极(2)均连接到传感器芯片(16)上的同一片上裸露源极(19)，所述的场效应管传感结构的背栅(4)分别连接到传感器芯片(16)上各自不同的片上裸露源极(19)。
6.根据权利要求1所述的一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：所述的片上裸露源极(19)和片上裸露漏极(20)采用金Au金属。
7.根据权利要求1所述的一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：所述的场效应管传感结构是在一块N型硅半导体的衬底(1)两侧上用光刻扩散形成两个凹槽，作为两个P型半导体区，每个P型半导体区布置金Au，然后在两个P型半导体区之间布置金属氧化物薄膜(5)，金属氧化物薄膜(5)采用HFO2作为栅极绝缘层，金属氧化物薄膜(5)上布置顶栅(6)，顶栅(6)存在双次耦合。
8.根据权利要求1所述的一种基于场效应管传感结构的非接触式细胞膜电位传感器，其特征在于：作为栅极绝缘层的金属氧化物薄膜(5)的HFO2采用原子层沉积工艺生长在衬底(1)上，可以精确控制高k栅极绝缘层的厚度；使用低压化学气相沉积(LPCVD)制造Si3N4的钝化层(11)；片上裸露源极(19)和片上裸露漏极(20)采用电子束蒸发沉积法制作。
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